JPWO2002097160A1 - Film forming method, film forming material, and abrasive film forming sheet - Google Patents
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Abstract
まず、ろうシートを準備する(ステップS1)。ろうシートは、ろう材層と、粘着材層と、離型紙とからなる。ろう材層はろう材からなる。次に、ろう材層に被覆材層が積層される(ステップS2)。被覆材層は、被覆材粒子とバインダとの混合物からなる。被覆材粒子としては、MCrAlY粒子と研磨粒子(立方晶窒化硼素粒子等)とが用いられる。次に、被覆材層を乾燥し(ステップS3)、ろうシートを裁断し(ステップS4)、動翼に貼着する(ステップS5)。次に、動翼を加熱し(ステップS6)、ろう材を溶融する。ろう材はMCrAlY粒子周囲液相として濡れ、さらに熱処理保持家庭によりに拡散する。次に、冷却(ステップS7)によって凝固層を形成する。この凝固層にブラスト処理(ステップS8)が施されて立方晶窒化硼素粒子が突出し、研磨性皮膜が完成する。First, a brazing sheet is prepared (step S1). The brazing sheet includes a brazing material layer, an adhesive layer, and release paper. The brazing material layer is made of a brazing material. Next, a coating material layer is laminated on the brazing material layer (Step S2). The coating layer is composed of a mixture of coating particles and a binder. As the coating particles, MCrAlY particles and abrasive particles (such as cubic boron nitride particles) are used. Next, the coating material layer is dried (Step S3), the brazing sheet is cut (Step S4), and attached to the moving blade (Step S5). Next, the blade is heated (step S6) to melt the brazing material. The brazing material wets as a liquid phase around the MCrAlY particles and further diffuses through the heat treatment home. Next, a solidified layer is formed by cooling (step S7). A blast treatment (Step S8) is performed on the solidified layer to project the cubic boron nitride particles to complete the abrasive film.
Description
技術分野
本発明は、例えば燃焼エンジン(ガスタービン、ジェットエンジン等)、蒸気タービンにおける動翼、静翼又はシュラウド等の部材が備えている研磨性皮膜、耐酸化性皮膜等を形成する皮膜形成方法、皮膜形成用材料、研磨性皮膜形成用シート、及びこの皮膜形成方法によって研磨性皮膜等が形成されたガスタービンの動翼並びにこの動翼を使用したガスタービンに関する。
背景技術
ガスタービンにおいては、その動翼先端とこの動翼先端に対向するシュラウドとの間には、運転中に両者が接触しないように所定寸法のクリアランスが設けられている。このクリアランスが大きすぎると、動翼の圧力面側から負圧面側へ燃焼ガスが漏れ出し、タービンの駆動に使用できる燃焼ガスが少なくなる結果、ガスタービンの運転効率が低下してしまう。従って、燃焼ガスの漏れ出しを可能な限り抑制してガスタービンの性能を向上させる目的で、前記クリアランスは極限まで小さく設定されている。
ところが、前記クリアランスが小さすぎると、ガスタービンの運転開始初期段階において、動翼の熱膨張、タービンロータの偏心、ガスタービン全体に生じる振動等に起因して、動翼の先端とシュラウドとが摺動してしまうことがある(いわゆる初期摺動)。また、ガスタービンが長期間運転されると、高温ガスにさらされたシュラウドが徐々に熱変形を起こし、やはり動翼の先端とシュラウドとが摺動してしまうことがある(いわゆる二次的摺動)。
一般的にシュラウドは、遮熱又は酸化防止の目的で形成された皮膜をその内周面に備えている。例えば、遮熱の目的でTBC(Thermal Barrier Coating)が設けられたり、時にはMCrAlYからなる耐酸化性皮膜が設けられたりすることがある。ここで、Mは鉄、ニッケル、コバルトのうちの1又は2以上である。これらの皮膜は高硬度であることが多く、このため、動翼先端とシュラウド内周面とが摺動すると動翼が大きく損傷を受けてしまうことがある。
特開平4−218698号及び特表平9−504340号各公報並びに米国特許第5702574号明細書には、酸化防止性材料であるMCrAlYからなるマトリクス中に研磨粒子が分散した研磨性皮膜を備えた動翼が開示されている。この動翼では、研磨粒子として、例えば立方晶窒化硼素(CBN)等が用いられている。立方晶窒化硼素は高硬度な材料であり、従って動翼とシュラウド内周面とが摺動すると、この立方晶窒化硼素からなる研磨粒子がシュラウドの内周面を研磨する。これによって、動翼とシュラウドとの間に適度なクリアランスが維持される。
この研磨性皮膜は、まず動翼本体に研磨粒子が仮固着され、次にこの研磨粒子の周りに電着メッキ法によってマトリクスが形成されることによって得られる。すなわち、マトリクスはメッキ層の成長によって形成される。メッキ層の成長には長時間を要するので、この形成方法は効率が悪い。しかも、電着メッキ法によるマトリクスの形成は、概して高価である。さらに、電着メッキは設備が大掛かりなものになり、また、環境保全の観点から電着メッキ設備を新設することは難しい。
特開平10−30403号公報には、溶射法によってマトリクスを形成する研磨性皮膜形成方法が開示されている。溶射法とは、溶融金属を噴射することによって金属層を成長させる手法であり、電着メッキ法に比して高効率であるという特徴がある。しかしながら、溶射法では研磨粒子を動翼本体に仮固定する際には電着メッキ法が用いられるために、上述の問題を抱えており、また、マトリクスの厚みを正確に制御することが困難であり、しかも大がかりな溶射設備が必要である。溶射法によって金属マトリックスに立方晶窒化硼素等の研磨粒子を分散させる場合には研磨粒子が溶融金属に埋没してしまうので、研磨粒子の目出しが必要となるが、その目出しが難しく、研磨粒子がシュラウド内周面を研磨し難くなる。そして、金属マトリックスがシュラウド内周面に溶着して動翼の破損を招くこともある。
ところで、シュラウドの内周面には前述のようにTBC又はMCrAlYからなる耐酸化性皮膜が設けられることがあるが、これらの皮膜は、APS法(Atmospheric Plasma Spray)、HVOF法(High Velocity Oxygen Fuel)、LPPS法(Low Pressure Plasma Spray)、D−GUN法(Detonation Gun)等の溶射法によって形成されるのが一般的である。
本発明は、研磨性皮膜を簡便に形成しうる皮膜形成方法、皮膜形成用材料、研磨性皮膜形成用シート、及びこの皮膜形成方法によって研磨性皮膜等が形成されたガスタービンの動翼並びにこの動翼を使用したガスタービンを提供することを目的とする。
発明の開示
この目的を達成するために、この発明に係る皮膜形成方法は、下記工程(1)〜(3)を含んでいる。
(1)皮膜形成対象物の表面又は裏面にろう材を主成分とするろう材層と被覆材を主成分とする被覆材層とを積層する積層工程。
(2)積層されたろう材層及び被覆材層を加熱してろう材成分を被覆材中に溶融・浸透させつつ被覆材とろう材とを拡散させる溶融工程。
(3)溶融したろう材を凝固させて皮膜形成対象物に固着させる固着工程。
本発明による皮膜形成方法では、いわゆるろう付けによって皮膜が形成される。この方法は、メッキ法や溶射法に比べて低コストであり、しかも大がかりな設備を必要としないので、施工場所に対する制約も少ない。
この場合、この発明に係る皮膜形成方法のように、積層工程で積層されるろう材と被覆材との膜厚比は、30/70以上70/30以下であることが好ましい。このように体積比を選択することにより、溶融工程において被覆材に確実にろうが溶融する。
次の発明に係る皮膜形成方法のように、ろう材はボロンを含有することが好適である。このボロンは、溶融工程において被覆材中に拡散して、被覆材の凝固点を降下させるので、比較的低温で加熱された場合でも、被覆材が溶融し、且つ一度溶融した後は、ボロンが減少し融点が上昇するため、実際の運用上再溶融等の問題は生じ難い。
好ましくは、ろう材は、次の発明に係る皮膜形成方法のように、その融点が皮膜形成対象物の熱処理温度よりも低い材料から選択される。これにより、皮膜形成対象物の熱処理と同時に溶融工程が遂行されうる。
また、用いられる被覆材層は、次の発明に係る皮膜形成方法のように、バインダ中に被覆材粒子が分散しているものであることが好ましい。バインダによって、被覆材の積層が容易となる。また、このバインダは溶融工程でほぼ完全に揮発するので、バインダが皮膜に残存することに起因する皮膜の品質低下が抑制される。なお、このバインダに揮発性のものを使用すると、溶融工程でより揮発しやすくなるため、皮膜に残存するバインダの量を少なくして、より皮膜の品質を向上させることができる。なお、前記バインダは低い温度で揮発するものが好ましく、且つ前記バインダが乾燥した後における被覆材の強度(剛性)もある程度有しているものを選定することが望ましい。
次の発明に係る皮膜形成方法のように、バインダと被覆材粒子との質量比は15/85以上2/1以下であることが好ましい。これにより、被覆材層の形成が容易となり、しかも溶融工程におけるろう材の液だれを抑制できる。
好ましい被覆材層の一例としては、次の発明に係る皮膜形成方法のように、MCrAlY粒子と立方晶窒化硼素粒子とを主成分とするものが挙げられる。この被覆材層により、研磨性皮膜が得られる。この研磨性皮膜では、立方晶窒化硼素が研磨粒子として機能し、MCrAlYがマトリクスとなって研磨粒子を固着する。また、MCrAlYのマトリクスは、研磨粒子又は動翼材の酸化を抑制する。
また、次の発明に係る皮膜形成方法のように、研磨能力の向上と研磨粒子の確実な固着との両立の観点から、MCrAlY粒子と立方晶窒化硼素粒子との体積比は、1/2以上2/1以下であることが好ましい。
また、次の発明に係る皮膜形成方法のように、この研磨性皮膜がガスタービンの動翼先端に形成されれば、対向するシュラウド内周面を研磨するので、凝着による動翼の損傷が防止される。
また、この皮膜形成方法は、次の発明に係る皮膜形成方法のように、固着した被覆材層の表面からMCrAlYの一部を除去して立方晶窒化硼素粒子を露出させる露出工程を含むことが好ましい。
好ましい露出方法は、次の発明に係る皮膜形成方法のようにブラスト処理である。また、このブラスト処理は、次の発明に係る皮膜形成方法のように、上記ブラスト処理においては、上記MCrAlY粒子よりも硬く、上記研磨粒子よりも柔らかいブラスト材を使用することが好ましい。これによって、形成した研磨性皮膜から効率よくMCrAlYを除去できるので、研磨粒子を十分に目出しできる。
さらに、このブラスト処理は、次の発明に係る皮膜形成方法のように、上記ブラスト材の粒径は、上記研磨粒子の粒径よりも小さく上記研磨粒子同士の間隔よりも小さくすることが好ましい。ただし、粒径を小さくしすぎると、研磨粒子の保持部をアタックし脱落の原因となるので、この点に注意を要する。これによって、研磨粒子の目出しを十分にしつつ、研磨粒子の脱落を最小限に抑えることができるので、当初から十分な研磨性能を発揮させることができる。
さらに、好ましい被覆材層の他の例としては、次の発明に係る皮膜形成方法のように、MCrAlY粒子を主成分とするものが挙げられる。この被覆材層により得られる耐酸化性及び耐粒界腐食性を持つ皮膜は、次の発明に係る皮膜形成方法のように、高温ガスが流通するガスタービンの諸部材、具体的には動翼、静翼及びシュラウドに好適に使用することができる。
次の発明に係る皮膜形成用被覆材は、立方晶窒化硼素、Al2O3、SiCその他の研磨粒子と、少なくとも耐酸化性を有する金属材料と、バインダとを含むことを特徴とする。この皮膜形成用被覆材は、研磨粒子と金属材料とバインダとを含んでいるため、皮膜形成時における熱処理の際には、バインダが揮発してできた空間へろう材が吸収される。これによって周囲へのろう流れを極めて少なくできるため、皮膜形成対象物へ皮膜を形成した後における品質(膜厚の均一性)を高くできる。このため、皮膜形成後の膜厚調整も最小限で済むので、皮膜形成の手間を低減できる。
また、本発明の皮膜形成対象物にはガスタービンの動翼やシュラウドが挙げられるが、このような対象物は、高温の燃焼ガスが噴射される雰囲気中で使用されるため、酸化減肉によってその寿命が短くなってしまう。この発明に係る皮膜形成用被覆材に含まれる金属材料は耐酸化性を有しているため、このような雰囲気中でも酸化が生じ難い。したがって、長期間の使用においても研磨粒子をより確実に保持して安定した研磨性能を発揮させることができ、且つ母材の酸化減肉を低減する効果も有するので、より安定したガスタービンの運転ができる。
次の発明に係る皮膜形成用被覆材は、上記皮膜形成用被覆材において、上記バインダの質量と、上記研磨粒子及び上記金属材料の質量との比が15/85以上2/1以下であることを特徴とする。これにより、被覆材層の形成が容易となり、しかも溶融工程におけるろう材のろう流れを抑制できる。
次の発明に係る皮膜形成用被覆材は、上記皮膜形成用被覆材において、上記金属材料はMCrAlYであることを特徴とする。このように、皮膜を形成する金属材料に、耐酸化性をもつMCrAlYを使用するので、高温の酸化性雰囲気中で使用されるガスタービンの動翼等に皮膜を形成した場合でも、長期にわたって研磨粒子を保持して研磨性能を維持でき、且つ母材を酸化から守るため、安定したガスタービンの運転ができる。
次の発明に係る皮膜形成用被覆材は、上記皮膜形成用被覆材において、上記MCrAlY粒子と上記研磨粒子との体積比が1/2以上2/1以下であることを特徴とする。研磨粒子として使用する立方晶窒化硼素やAl2O3あるいはSiC等の比率が大きいとMCrAlYの含有量が減り、耐酸化性が低くなるだけでなく、施工の際にろう切れしやすい傾向になる。また、ろう付け中に研磨粒子の保持が不十分となり、粒子の浮き上がりが生ずる。一方、MCrAlYの比率が大きくなりすぎると、研磨性皮膜の研磨能力が不足することがある。これらの観点から、上記質量比の範囲であれば、ろう切れの発生を防止して、施工性を向上させることができる。また、研磨粒子を十分に保持する金属層の耐酸化性が高いため、長時間粒子を安定して保持し、研磨粒子の脱落を抑制して信頼性の高いガスタービンの運転ができる。
次の発明に係る研磨性皮膜形成用シートは、ろう材と、上記いずれか一つの皮膜形成用被覆材とを積層したことを特徴とする。この研磨性皮膜形成用シートは、皮膜形成用被覆材にバインダが含まれているため、皮膜形成時の熱処理においてはこのバインダが揮発した空間へろう材が吸い込まれる。これによって、皮膜形成時の液だれを極めて少なくできるため、皮膜形成対象物へ皮膜を形成した後における品質を高くできる。また、皮膜形成後の修正も最小限で済むため、皮膜形成の手間を低減できる。さらに、この研磨性皮膜形成用シートを皮膜形成対象物に貼り付けて皮膜形成対象物を熱処理するだけで研磨性皮膜を形成できるため、メッキ法や溶射法と比較して極めて容易に研磨性皮膜を形成できる。また、耐酸化性や耐粒界腐食性を持つ金属材料を皮膜形成用被覆材として使用すれば、高温の酸化性雰囲気中で使用されるガスタービン動翼やシュラウド等に研磨性皮膜を形成した場合でも、研磨粒子の脱落を抑えて安定した研磨性能を維持できる。これによって、安定したガスタービンの運転ができる。
また、この研磨性皮膜形成用シートを皮膜形成対象物に貼るだけで熱処理前の処理が完了するので、作業が極めて容易になる。さらに、シートであるため、皮膜形成対象物の形状に合わせて適宜切断すればよいため、さまざまな形状を持つ皮膜形成対象物に対しても容易に対応できる。
次の発明に係る研磨性皮膜形成用シートは、上記研磨性皮膜形成用シートにおいて、上記ろう材と上記皮膜形成用被覆材との膜厚比が30/70以上70/30以下であることを特徴とする。このように体積比を選択することにより、溶融工程において皮膜形成用被覆材が確実に溶融するだけでなく、形成された皮膜も堅固となる。
次の発明に係る研磨性皮膜形成用シートは、上記研磨性皮膜形成用シートにおいて、上記ろう材にはボロンが含まれていることを特徴とする。このように、ろう材にボロンが含まれているため、溶融工程においてはこのボロンが皮膜形成用被覆材中に拡散して、皮膜形成用被覆材の凝固点を降下させるので、比較的低温で加熱された場合でも、皮膜形成用被覆材が溶融する。また、ボロンが拡散した後は、皮膜形成用被覆材の融点が上昇するためろう材の耐熱性が上昇する。これによって、ガスタービンの動翼やシュラウドのように、高温ガス中において使用する場合でもろう材が再溶融することなく使用できる。
次の発明に係る研磨性皮膜形成用シートは、上記研磨性皮膜形成用シートにおいて、上記ろう材は、その融点が皮膜形成対象物の熱処理温度よりも低い材料から選択されていることを特徴とする。これにより、皮膜形成対象物の熱処理と同時に溶融工程を進行させることができる。
次の発明に係る研磨性皮膜形成用シートは、上記研磨性皮膜形成用シートにおいて、さらに、上記ろう材には接着層が形成されていることを特徴とする。このため、この研磨性皮膜形成用シートさえ準備しておけば、皮膜形成対象物にこの研磨性皮膜形成用シートを貼るだけで熱処理前の処理が完了し、糊付けが不要になり、また糊の乾燥を待つ必要もない。これによって、さらに皮膜形成の手間を軽減できる。
次の発明に係るガスタービンの動翼は、上記いずれか一つの皮膜形成方法によって先端部に皮膜が形成されたことを特徴とする。このため、メッキ法や溶射法と比較して極めて容易に研磨性皮膜を形成できる。これによって、前記皮膜形成法と比較して皮膜形成に要する時間を大幅に短縮でき、また製造コストも低減できる。
次の発明に係るガスタービンの動翼は、上記いずれか一つの研磨性皮膜形成用シートが先端部に貼り付けられたことを特徴とする。このため、あとは動翼に必要な熱処理を施すだけで研磨性皮膜を形成できるので、メッキ法や溶射法と比較して極めて容易に研磨性皮膜を形成できる。これによって、前記皮膜形成法と比較して皮膜形成に要する時間を大幅に短縮でき、また製造コストも低減できる。
次の発明に係るガスタービンは、空気を圧縮して燃焼用空気を作る圧縮機と、この圧縮機で作られた燃焼用空気と燃料とを反応させて高温の燃焼ガスを生成する燃焼器と、上記動翼を有し、前記燃焼器からの燃焼ガスがこの動翼に噴射されることで駆動されるタービンと、を備えたことを特徴とする。
このため、熱処理設備さえ備えておけば、容易に研磨性皮膜を形成できるため、メッキ法や溶射法と比較して皮膜形成用の設備は簡単なもので済む。したがって、ガスタービンプラントの近くにメッキ設備等がない場合でも、熱処理に使用する加熱炉を備えておけば容易に研磨性皮膜を形成できるため、その場で動翼等に再び研磨性皮膜を形成することもできる。これによって、研磨性皮膜が損傷した場合でも容易に補修ができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。
第1図は、本発明の一実施形態にかかる皮膜形成方法が示されたフローチャートである。この皮膜形成方法は、比較的簡単な装置(例えば高真空加熱炉)を使用して、ガスタービンの動翼先端に研磨性皮膜を形成する場合に適用されている。この皮膜形成方法では、まずろうシートを準備する(ステップS1)。第2図の(a)は、符号1で総括的に表わされたこのろうシートの一部を示す拡大断面図である。このろうシート1は、図において上側にあるろう材層3と、接着層である中間の粘着材層5と、下側の離型紙7とからなる。ろう材層3は言うまでもなくろう材からなる。なお、粘着材層5と下側の離型紙7を設けておけば、離型紙7をはがしてそのままろうシート1を皮膜形成対象物に貼り付ければよいので、極めて容易に作業できる。ここで、ろう材層3の厚みは、通常、0.05mm〜1.00mm程度である。また、ろう材層3は、単一のシートでなくてもよく、シートを2〜3枚積層して使用してもよい。なお、接着層である中間の粘着材層5と下側の離型紙7は必要に応じて設ければよく、これらを使用しない場合には、バインダを糊として貼り付け等の手段によって皮膜形成対象物へシート1を貼り付ければよい。
好ましいろう材としては、約2.75〜3.50質量%のボロン(B)を含みニッケル(Ni)を主成分とするものが挙げられる。このろう材には、通常、約6〜8質量%のクロム(Cr)と、約4〜5質量%のケイ素(Si)と、約2.5〜3.5質量%の鉄(Fe)とが含まれる。ろうシート1は、長期間経過しても硬くならないものが好ましく、ろうシート1の具体例として、BNi−2(JIS規格)等が挙げられる。
このろうシート1はろう材層3に粘着材層5及び離型紙7が予め積層されて市販されており、ろう材は、83質量%のニッケルと、7質量%のクロムと、3質量%のボロンと、4質量%のケイ素と、3質量%の鉄とを含有している。
次に、ろうシート1上に、第2図の(b)に示す被覆材層9を形成する(ステップS2)。なお、被覆材層9とシート1とを別々に成形・切断して、それらを後でバインダ等によって張り合わせることも可能であるが、多工程での切断等の割れを防止するため軟らかいBNi−2層との複層として、シート全体の切断性を向上させる。
被覆材層9は、被覆材粒子とバインダ11との混合物をろう材層3の表面に塗工して形成される。まず、被覆材粒子とバインダ11との混合物をろう材層3の上に流す。次に、前記混合物をブレード等によってシート状に伸ばしつつ余剰の前記混合物を掻き落とし、この混合物が乾燥した時の縮み代を考慮した所定の厚みに塗工する。被覆材層9は、塗工後に乾燥され(ステップS3)、通常、約1日間かけて自然乾燥される。乾燥により、バインダ11がある程度揮発する。揮発によって被覆材層9の厚みが減少する。
塗工後における被覆材層9の所定の厚みは0.10〜1.00mm程度でよいが、被覆材層9を乾燥させた後において、被覆材層9の厚みが目安としてろうシート1の膜厚以下となるようにする。このために、バインダ11の混合割合や被覆材層9の成分割合によって、前記混合物を塗工した後の被覆材層9の厚さを適宜変化させることが好ましい。
ここで、この実施の形態においては、被覆材粒子として耐酸化性及び耐粒界腐食性を持つ金属材料であるMCrAlY粒子13が、研磨粒子として立方晶窒化硼素粒子15が用いられる。以下、単に被覆材粒子というときは、これら粒子の双方を指すものとする。この被覆材粒子と研磨粒子とにバインダが混合されて、被覆材層9を形成する皮膜形成用被覆材となる。
MCrAlYは、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)又はコバルト(Co)と、クロム(Cr)と、アルミニウム(Al)と、イットリウム(Y)とを主成分とする合金であり、耐酸化性と耐粒界腐食性とを備えている。ここで、皮膜形成後にNiろうでMCrAlYが希釈されてしまうことを考慮して、耐粒界腐食性と耐酸化性とを向上させるため、CrとAlとの含有量を多くすることが好ましい。しかし、これらの量、特にAlが多すぎるとろう付け性が悪化するので注意を要する。また、耐酸化性、耐粒界腐食性並びにろう付け性を向上させるためにはCr、Alの他に、Ta、Re、Hf、Si等を添加することができる。
また、上記MCrAlY粒子の表面には、OやN等のろう付け性にとっての不純物を限りなくゼロに近づける必要がある。なお、MCrAlYは、充填率を高くするために粒径が10〜100μmの範囲にあるものをランダムに使用することが好ましい。ただし、粒径が小さすぎると表面積が大きくなり、OやN等の不純物の量が増加するので、この点には注意が必要である。
一方、立方晶窒化硼素粒子15には、ジェネラルエレクトリック社、デビアス社、昭和電工株式会社、住友電工株式会社等が市販しているものが使用できる。立方晶窒化硼素は単結晶、多結晶に区別され、且つ高純度品もあり、それぞれを使い分けることもできるが、立方晶窒化硼素をTiN等で被覆をしたものがろう付け性に優れることは明らかとなっている。このように、立方晶窒化硼素に被覆をすると、立方晶窒化硼素とろう材との濡れ性が改善され、立方晶窒化硼素粒子15をろう材へ十分に埋め込むことができる。これによって、立方晶窒化硼素粒子15の脱落を抑制できるので、安定してシュラウドのTBC層等を削り取り、動翼先端部とシュラウドとの溶着を防止して信頼性の高い運転ができる。
また、立方晶窒化硼素をCoやNiで被覆したもの、あるいは立方晶窒化硼素をTiNやTi化合物によって被覆したものも使用できる。被覆材層9を形成するMCrAlY粒子の種類によって、これらを適宜選択することが望ましい。
さらに、立方晶窒化硼素粒子15の代わりに、例えば、Al2O3やSiC等も研磨粒子として使用できる。ろう材との濡れ性を改善するために、Al2O3やSiC等を使用する場合にも、被覆を施したAl2O3やSiCを使用することが好ましい。そして、Al2O3やTiNに対する成膜性及びMCrAlY材に対する濡れ性改善という観点から、これらの被覆材としては、例えば研磨粒子としてAl2O3を用いる場合にはCo、Cr、Ni等が挙げられる。また、研磨粒子としてSiCを用いる場合には、ろう付け中にSiCとCrとの反応を抑止するために用いる被覆材として、AlN、TiN、Al2O3等が挙げられる。
MCrAlY粒子13の体積VMと立方晶窒化硼素粒子15の体積VCとの体積比VM/VCは、30/70以上70/30以下が好ましい。立方晶窒化硼素粒子15の比率が大きいと、ろうシート1中の空隙率が増加し、バインダの量が多くなる結果、ろう切れや変形等が生じやすい傾向になる。そして、立方晶窒化硼素粒子15の割合が70%を超えるとき、すなわち体積比VM/VCが30/70よりも小さいと立方晶窒化硼素粒子15の密度が大きすぎ、皮膜上からの放電加工が困難となる。さらに、耐酸化性も低下するため、立方晶窒化硼素粒子15の保持力も低下し立方晶窒化硼素粒子15の脱落が生ずるおそれがある。これらの観点から、体積比VM/VCは1/2以上とするのがより好ましく、さらには、立方晶窒化硼素粒子15の割合が60%以下、すなわち、体積比VM/VCは40/60以上がコストの観点からも特に好ましい。一方、体積比VM/VCが70/30を超えると、研磨性皮膜の研磨能力が不足することがある。この観点から、上記体積比VM/VCは2/1以下がより好ましく、60/40以下が特に好ましい。従って、最も好ましい体積比VM/VCの範囲は、40/60以上60/40以下である。なお、実作業時には、それぞれの材料の比重(密度)が分かっているので、質量管理によってシート1を作成する。
ここで、立方晶窒化硼素粒子15は高温硬度が高く、切削性に優れるが、高温酸化雰囲気において短時間で消失することも知られており、長時間安定性に優れるSiCやAl2O3等も混ぜ合わせて使用する必要がある。また、立方晶窒化硼素粒子15の代わりに、あるいは立方晶窒化硼素粒子15とともにAl2O3やTiN等を使用する場合にも、これらの体積比を適用することができる。
バインダ11には種々の種類のものを使用することができるが、特に低い温度で揮発するものを用いることが好ましい。揮発性バインダ11は、後に詳説される乾燥工程や溶融工程において揮発するので、研磨性皮膜にほとんど残存しない。従って、研磨性皮膜の品質に悪影響を与えない。さらに、揮発性バインダ11が揮発した後には空間が形成される。後述する溶融工程においては、毛細管現象によって金属ろうがこの空隙へ吸い取られるため、後述する溶融工程においては液だれを極めて少なくできる。これによって、液だれによる動翼の品質低下を抑え、また液だれの処理(主にストップオフの塗布)もほとんど要しないため、施工の手間を改善できる。
ここで、好ましい揮発性バインダ11としては、有機系のバインダが好適に使用でき、その中でもセルロース系のバインダがろうはけ性が良好であるためより好ましい。また、バインダに可塑剤が添加されたものを使用すると、後述する研磨性皮膜形成用シート1aに柔軟性がでて、切断しやすい等の施工性の改善が行えるので好ましい。
揮発性バインダ11の質量mBと被覆材粒子13、15の質量mCとの質量比mB/mCは、15/85以上2/1以下が好ましい。質量比mB/mCが上記範囲の下限レベル未満であると、被覆材粒子13、15とバインダ11との混合物の塗工が困難となるおそれがある。この観点から、上記質量比mB/mCは20/80(1/4)以上がより好ましく、さらには1/2以上が好ましい。一方、質量比mB/mCが上記範囲の上限レベルを超えると、皮膜形成対象物を熱処理する際にろう材の液だれが生じやすくなる。この観点から、質量比mB/mCは60/40以下がより好ましく、40/60以下が特に好ましい。従って、好ましい揮発性バインダ11と被覆材粒子13、15との質量比mB/mCの範囲は、20/80以上40/60以下である。
また、ろう材と被覆材との膜厚比は、30/70以上70/30以下が好ましい。この膜厚比が上記範囲の下限レベル未満であると、溶融工程において被覆材にろうが浸透せずにろう切れが生じ易くなる。この観点から、膜厚比は60/40以上が特に好ましい。ろうシート1の成形後、切断作業をし易くし、且つ余分なバインダを揮発させるため、常温において乾燥させる。できれば温度・湿度を管理した恒温室で丸一日以上乾燥させることが望ましい。
次に、被覆材層9が積層されたろうシート1(以下、研磨性皮膜形成用シート1aという)は、所定の形状・寸法に裁断される(ステップS4)。裁断の手段は特に制限されないが、研磨性皮膜形成用シート1aは脆性が高いので、ステンシル及び超音波カッターを用いるのが好ましい。そして、所定の形状・寸法に裁断した研磨性皮膜形成用シート1aから離型紙7を剥がして、皮膜形成対象物である動翼先端に貼着する(ステップS5)。
当該研磨性皮膜形成用シート1aは翼形状に切断するため、大部分が切れ端として残ってしまう。当該研磨性皮膜形成用シート1a中には非常に高価な立方晶窒化硼素が含まれるため、この立方晶窒化硼素を回収する必要がある。ただし、この立方晶窒化硼素の表面にはろう付け性を向上させるためのコーティングが施されており、このコーティングを傷つけずに回収することが重要である。そこで、回収に際しては、研磨性皮膜形成用シート1aの切れ端を10%程度の濃度のNaOH液中で1〜5時間程度沸騰浸漬してバインダを溶かし、その後純水超音波洗浄してからろ過して純水洗浄してから分級し、乾燥することで、立方晶窒化硼素のみを回収することができる。ここで、純水超音波洗浄は、例えば約10〜30分を3回行い、また、乾燥は、例えば120℃で1時間程度行う。
なお、研磨性皮膜形成用シート1aの貼着に先立って動翼先端にブラスト処理、トリクロロエチレン、アセトン等の溶剤による洗浄等の前処理を施すことが好ましい。前処理により皮膜が形成される動翼先端が粗くなり、また、皮膜形成部分の油脂類が取り除かれるため、皮膜と動翼先端との密着が良好となるからである。
ここで、動翼先端部には、内部冷却流路から冷却空気や冷却蒸気等の冷却媒体が噴出するための孔が設けられている場合がある。このため、研磨性皮膜形成用シート1aを動翼先端に貼り付ける場合にこの孔を塞いでしまうと、ガスタービンの運転中に冷却媒体が噴出できず、動翼の冷却が不十分になるおそれがある。したがって、冷却媒体が噴出する上記孔の部分を避けて研磨性皮膜形成用シート1aを貼り付けるようにする。ただし、孔寸法が小さく、且つ多い場合には、この孔を回避することは困難である。また、熱処理前においては研磨性皮膜形成用シート1aが切断し易いため、このシート貼り付け前にこのシートへ孔を確保することは困難である。このため、皮膜形成後に放電加工等で孔開けが可能となる。なお、立方晶窒化硼素粒子を目出しする前後を問わず放電加工による孔開けは可能である。
次に、研磨性皮膜形成用シート1aを動翼本体と共に加熱する(ステップS6)。加熱には、通常は真空加熱炉が用いられる。加熱条件は、動翼本体の材質や、ろう材の種類等を勘案して決定する。例えば動翼本体の材質が動翼母材(Ni基超合金等)であり、研磨性皮膜形成用シート1aに用いられるシート1として、前述のBNi−2が用いられる場合は、まず10時間以上かけて室温から600℃程度まで真空加熱炉を昇温する。このように、時間をかけて加熱して、研磨性皮膜形成用シート1a中のバインダ11を低い温度で積極的に揮発させるので、熱伸びしやすいバインダ11の成分が高い温度においては残らない。これによって、熱伸びによるしわが生じなくなり、形成した研磨性皮膜の品質を高くできる。なお、このときの真空度は、10−5torrよりもさらに高い真空度とすることが好ましい。次に2時間程度かけて1000℃以上まで昇温し、この状態で必要な時間保持する。これにより、被覆材層9からバインダ11がほぼすべて揮発するだけでなく、バインダ11が揮発した後の被覆材層9には、空間が生ずることになる。
このろう材の融点は約1000℃程度なので、1000℃以上の加熱によってろう材が溶融する。この加熱によって液状となったろう材は、毛細管現象によって被覆材層9中の空間へと浸透し、この空間内へ吸収される。また、ろう材成分であるボロンも被覆材層9中のMCrAlY粒子13へと拡散する。ボロンはMCrAlYの凝固点を降下させるので、MCrAlYは半溶融状態となり、周囲のろう材と拡散しやすくなる。
次に、アルゴンガス又は窒素ガスの導入によって真空加熱炉内を500℃以下まで冷却する(ステップS7)。これにより母材であるNi合金に必要とされる強度が得られ、且つ第2図の(c)に示されるように、MCrAlYのマトリクス19中に立方晶窒化硼素粒子15が分散した凝固層21が形成される。1000℃以上の温度制御下での保持によってボロンはある程度消失しているので、マトリクス19の融点は実用上問題ない程度の温度まで上昇する。この熱履歴によって、動翼の強度上必要となる熱処理(安定化処理)がなされる。すなわち、動翼の熱処理温度よりも低い融点のろう材を選択することにより、溶融工程において被覆材の溶融と動翼の熱処理とが同時に終了する。
一般的に立方晶窒化硼素はろう材よりも比重が軽いので、予め両者が混合されていると液状のろう材中で立方晶窒化硼素粒子15が表層に浮いてしまい、凝固層21での立方晶窒化硼素粒子15の分散が不均一となってしまう。また、溶融したろう材の液だれも生じやすい。本発明の好適な実施の形態では、動翼先端17にろう材層3と被覆材層9とを順次積層して前述のように毛細管現象によって両者を混合させる。このため、立方晶窒化硼素粒子15は被覆材層9中のMCrAlYに保持されているため浮き上がらず、立方晶窒化硼素粒子15の分散が均一となり、また、ろう材の液だれも抑制される。
次に、凝固層21にブラスト処理を施す(ステップS8)。ブラスト処理では、ブラスト粒子をマトリクス19の表面に吹きつける。このブラスト処理により、第2図の(d)に示されるようにマトリクス19の表面寄り部分が除去される。立方晶窒化硼素粒子15は、本発明に係るブラスト処理によってはほとんど除去されないので、この立方晶窒化硼素粒子15がマトリクス19から突出する(いわゆる「目出し」)。こうして、研磨性皮膜23が完成する。なお、第2図の(d)では研磨性皮膜23と動翼先端17との境界が明確に画かれているが、実際の動翼では加熱時の拡散によって両者の境界が曖昧となっている。
ブラスト処理によって立方晶窒化硼素粒子15に優先してマトリクス19の表面寄り部分を除去するには、立方晶窒化硼素粒子15よりも低硬度であり、かつマトリクス19よりも高硬度であるブラスト粒子を用いるのが好ましい。すなわち、マトリクス19のビッカース硬度をH1とし、立方晶窒化硼素粒子15のビッカース硬度をH2とし、ブラスト処理に用いられるブラスト粒子のビッカース硬度をH3としたとき、H1、H2及びH3が下記数式(I)に示される関係を満たすことが好ましい。
H1<H3<H2 ・・・(I)
立方晶窒化硼素粒子15とマトリクス19にMCrAlYとを使用した場合には、このようなブラスト粒子として、例えばAl2O3の粒子を使用することができる。
また、ブラスト粒子の径が大きすぎると立方晶窒化硼素粒子15の目出しが不十分となる。一方、ブラスト粒子の径が小さすぎると立方晶窒化硼素粒子15を保持している根元の目出しが進みすぎて立方晶窒化硼素粒子15が被覆材層9から脱落してしまう。したがって、立方晶窒化硼素粒子15同士の間隔よりも小さく、且つ立方晶窒化硼素粒子15を保持している根元をアタックしない程度の寸法のブラスト粒子を使用することが好ましい。この例では平均粒径が50μmのAl2O3粒子を使用したマイクロブラストを使用しているが、立方晶窒化硼素粒子15の粒径や間隔によって、使用するブラスト粒子の径を適宜選択することが望ましい。例えば、立方晶窒化硼素粒子15同士の間隔が大きく表面が粗い場合には、より大きいブラスト粒子を使用することが好ましい。また、研磨性皮膜中、研磨性粒子にAl2O3やSiCを使用する場合には、ZrO2やガラスビーズ等をブラスト粒子として使用することが好ましい。
第3図は、第1図の形成方法によって研磨性皮膜23が形成された動翼25を示す斜視図である。動翼25は、本体27とその端部から延びる突条部29とを備えており、動翼先端であるこの突条部29の上面に研磨性皮膜23が被覆されている。図示しないが、ガスタービンでは研磨性皮膜23に対向してシュラウド内周面が位置する。研磨性皮膜23によって、動翼25とシュラウドとが摺動した際にシュラウド内周面が研磨される。突条部29のない動翼も存在するが、その場合には、この動翼の先端に研磨性皮膜を形成しうる。
立方晶窒化硼素粒子15の平均粒子直径は、約50〜200μmであることが好ましい。平均粒子直径が50μm未満であると、研磨性皮膜23の研磨能力が不十分となるおそれがある。この観点から、平均粒子直径は80μm以上が特に好ましい。一方、平均粒子直径が200μmを超えると、研磨性皮膜23の膜厚が過大となるだけでなく研磨性皮膜23の耐酸化性が不十分となる。この観点から、ガスタービン動翼の場合、平均粒子直径は170μm以下が特に好ましい。従って、最も好ましい平均粒子直径範囲は80〜170μmである。
第4図は、第3図の動翼25の一部を示す拡大断面図である。前述のように、立方晶窒化硼素粒子15はマトリクス19から突出している。この図において両矢印pで示されているのは、立方晶窒化硼素粒子15の突出寸法である。立方晶窒化硼素粒子15の平均粒子直径をDとし、マトリクス19から突出しているすべての立方晶窒化硼素粒子15における突出寸法pの平均値(すなわち平均突出寸法)をPとしたとき、平均粒子直径Dに対する平均突出寸法Pの比率は、25%以上70%以下が好ましい。この比率が25%未満であると、研磨性皮膜23の研磨能力が不十分となることがある。この観点から、比率は30%以上がより好ましい。逆に、この比率が70%を超えると、立方晶窒化硼素粒子15がマトリクス19から脱落しやすくなることがある。この観点から、比率は60%以下がより好ましい。従って、最も好ましい比率範囲は30〜60%である。
マトリクス19の厚み(第4図において両頭矢印Tで示されている部分)は、50μm以上が好ましい。マトリクス19の厚みが50μm未満であると、研磨性皮膜23中の立方晶窒化硼素粒子15の保持が不十分となるだけでなく、立方晶窒化硼素粒子15の分布が乱食い状に配置できないため、研磨性皮膜23の長時間高温耐久性が低くなる。
この発明においては、被覆材層9を積層したろうシート1である研磨性皮膜形成用シート1aを使用する。そして、これを所定の形状に切断し皮膜形成対象物に貼り付けた後、皮膜形成対象物を熱処理することで、皮膜形成対象物に研磨性皮膜23(第3図参照)を形成する。次に、研磨性皮膜23をブラスト処理にして立方晶窒化硼素粒子15を目出しして、研磨性皮膜23から研磨粒子を突出させる。このように、研磨性皮膜形成用シート1aを製造した後は、所定の形状に切断して皮膜形成対象物に貼り付けるだけで、あとは皮膜形成対象物に必要な熱処理を施せば研磨性皮膜が形成できる。また、研磨粒子の目出しもブラスト処理を使用するので、簡便に研磨粒子を突出させることができる。このため、従来のメッキ法や溶射法と比較して、極めて容易に研磨性皮膜を形成できる。
例えば、あるガスタービン動翼の先端に研磨性皮膜を形成する場合には、この発明に係る皮膜形成方法によれば、従来のメッキ法と比較して施工費用を1/3〜1/4に抑えることができる。また、施工に要する時間も、1/3以下に短縮できる。このように、大幅な施工費用低減効果及び施工期間の短縮効果が得られるため、大量の動翼に研磨性皮膜を形成する場合には極めて有用である。また、メッキ法のような大掛かりな設備も不要であるため、設備投資に要する費用も少なくて済む。さらに、メッキ法のようにメッキ廃液が発生しないため、環境負荷も極めて小さくできる。
さらに、真空加熱炉等の加熱設備を用意しておけば、研磨性皮膜形成用シート1aを供給するだけで研磨性皮膜を形成できるので、必ずしも熱処理と前記シートの作製とを同じ場所で行う必要はない。このため、施工の自由度が高くできるので、例えば、施工施設が近くに存在しない場所に設置されているガスタービンプラントにおいても、加熱設備を備え、研磨性皮膜形成用シート1aを定期的に支給すればその場で再コーティング等ができる。
以上の説明では、被覆材として立方晶窒化硼素とMCrAlYとが用いられる場合が一例とされたが、MCrAlYのみが被覆材として用いられてもよい。この場合、得られる皮膜は耐酸化性皮膜となる。この耐酸化性皮膜は、ガスタービンの動翼、静翼又はシュラウドに好適である。
第5図は、この発明に係る皮膜形成方法によって先端部に研磨性皮膜が形成されたガスタービン動翼を備えたガスタービンを示す説明図である。空気取り入れ口50から取り込まれた空気は、圧縮機51によって圧縮されて高温・高圧の圧縮空気となって燃焼器52へ送り込まれる。燃焼器52では、この圧縮空気に天然ガス等のガス燃料、あるいは軽油や軽重油等の液体燃料を供給して燃料を燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスを生成させる。この高温・高圧の燃焼ガスは、燃焼器尾筒53へ導かれた後、タービン54に噴射される。
タービン54には、この発明に係る皮膜形成方法によってその先端部に研磨性皮膜23が形成された動翼25(第3図参照)が備えられている。この動翼25は、その先端部にこの発明に係る皮膜が形成されている。ガスタービン100の運転が開始されると、動翼の熱伸び等によりいわゆる初期摺動が発生し、動翼25の先端がシュラウド55の内壁と接触する場合がある。また、運転開始からある程度の時間が経過すると、シュラウド55の変形により、動翼25の先端がシュラウド55の内壁に接触して、いわゆる二次的摺動を引き起こす場合がある。いずれの場合においても、動翼25の先端部にはこの発明に係る皮膜形成方法によって強固に研磨粒子がろう付けされているため、シュラウド55の内壁に形成されているTBC等の皮膜(図示省略)を削り取ることができる。これによって、動翼25の溶着を防止することができるので、安定してガスタービン100を運転できる。なお、初期摺動に対しては立方晶窒化硼素が機能し、二次的摺動に対しては高温における長時間安定性に優れるSiCやAl2O3を機能させることが好ましい。したがって、これらを混合して使用することがガスタービンの長期信頼性を確保するためにより望ましい。
また、この発明に係る動翼25は、ろう付けによって先端部に皮膜が形成されているため、鮫の歯状に立方晶窒化硼素その他の研磨粒子を分布させることができる。このため、たとえ表層の研磨粒子がこぼれ落ちたとしても次の研磨粒子が現れるため、研磨性皮膜23(第3図参照)が消失するまで安定してシュラウド55の内壁に形成されているTBC等の皮膜を削り取ることができる。これによって、従来のメッキ法や溶射法により皮膜を形成した動翼を使用するよりも信頼性の高い運転ができる。
以上の説明から分かるように、この発明に係る皮膜形成方法では、下記工程(1)〜(3)を含んでおり、
(1)皮膜形成対象物の表面又は裏面にろう材を主成分とするろう材層と被覆材を主成分とする被覆材層とを積層する積層工程、
(2)積層されたろう材層及び被覆材層を加熱してろう材成分を被覆材中に溶融・浸透させつつ被覆材とろう材とを拡散させる溶融工程、
(3)溶融したろう材を凝固させて皮膜形成対象物に固着させる固着工程、
いわゆるろう付けによって皮膜を形成する。この方法は、メッキ法や溶射法に比べて低コストであり、しかも大がかりな設備を必要としないので、施工場所に対する制約も少ない等の効果を奏することができる。
また、この発明に係る皮膜形成方法では、積層工程で積層されるろう材と被覆材との膜厚比を30/70以上70/30以下に設定したので、溶融工程において被覆材が確実に溶融するだけでなく、形成された皮膜も堅固となり、その特性を向上させることができる。
また、この発明に係る皮膜形成方法では、ろう材にボロンを含有させたので、溶融工程においてこのボロンが被覆材中に拡散して、被覆材の凝固点を降下させるので、比較的低温で加熱された場合でも、被覆材を低コストで確実に溶融することができる。
また、この発明に係る皮膜形成方法では、ろう材の融点が皮膜形成対象物の熱処理温度よりも低いろう材を選択するようにしたので、皮膜形成対象物の熱処理と同時に溶融工程が遂行されうる。これによって、皮膜形成の作業能率を向上させることができる。
また、この発明に係る皮膜形成方法では、バインダ中に被覆材粒子が分散している被覆材層を使用するようにしたので、バインダの作用によって被覆材の積層が容易となるだけでなく、このバインダは溶融工程でほぼ完全に揮発するので、バインダが皮膜に残存することに起因する皮膜の品質低下を抑制することができる。
また、この発明に係る皮膜形成方法では、バインダと被覆材粒子との質量比を15/85以上2/1以下としたので、被覆材層の形成が容易となり、しかも溶融工程におけるろう材の液だれが抑制され、作業性を向上させることができる。
また、この発明に係る皮膜形成方法では、MCrAlY粒子と立方晶窒化硼素粒子とを主成分とした。この被覆材層により得られた研磨性皮膜では、立方晶窒化硼素が研磨粒子として機能し、MCrAlYがマトリクスとなって研磨粒子を固着する。そして、MCrAlYのマトリクスは、研磨粒子の酸化を抑制することができる。
また、この発明に係る皮膜形成方法では、MCrAlY粒子と立方晶窒化硼素粒子との体積比を1/2以上2/1以下とした。このため、研磨性皮膜の研磨能力が向上し、また、研磨粒子を確実に固着できる。
また、この発明に係る皮膜形成方法では、上記研磨性皮膜をガスタービンの動翼先端に形成したので、研磨性皮膜の立方晶窒化硼素が対向するシュラウド内周面を研磨して、動翼の損傷を防止できる。
また、この発明に係る皮膜形成方法では、固着した被覆材層の表面からMCrAlYの一部を除去して立方晶窒化硼素粒子を露出させる露出工程を含むようにした。また、この発明に係る皮膜形成方法では、立方晶窒化硼素粒子を露出させる露出工程にブラスト処理を用いるようにした。これによって、立方晶窒化硼素粒子の目出しを適切に行うことができる。
また、この発明に係る皮膜形成方法では、上記ブラスト処理においては、上記MCrAlY粒子よりも硬く、上記研磨粒子よりも柔らかいブラスト材を使用するようにした。これによって、形成した研磨性皮膜から効率よくMCrAlYを除去できるので、研磨粒子の目出しが十分にできる。
また、この発明に係る皮膜形成方法では、上記ブラスト処理において、さらに、研磨粒子の粒径よりも小さく研磨粒子同士の間隔よりも小さい粒径のブラスト材を使用するようにした。これによって、研磨粒子の目出しを十分にしつつ、研磨粒子の脱落を最小限に抑えることができるので、当初から十分な研磨性能を発揮させることができる。
さらに、好ましい被覆材層の他の例としては、次の本発明に係る皮膜形成方法のように、MCrAlY粒子を主成分とするものが挙げられる。この被覆材層により得られる耐酸化性皮膜は、次の本発明に係る皮膜形成方法のように、高温ガスが流通するガスタービンの諸部材、具体的には動翼、静翼及びシュラウドに好適に使用することができる。
また、この発明に係る皮膜形成用被覆材では、研磨粒子と少なくとも耐酸化性を有する金属材料とバインダとを含むようにしたので、皮膜形成時における熱処理の際には、バインダが揮発してできた空間へろう材が吸収される。これによってろう材の液だれを極めて少なくできるため、皮膜形成対象物へ皮膜を形成した後における品質を高くできる。また、前記金属材料は耐酸化性を有するので、ガスタービンの動翼が使用される高温の燃焼ガス雰囲気中でも酸化が生じにくい。これによって、長期間の使用においても研磨粒子をより確実に保持して安定した研磨性能を発揮させることができ、また母材の酸化減肉も低減できるため、より安定したガスタービンの運転ができる。
また、この発明に係る皮膜形成用被覆材では、上記皮膜形成用被覆材において、バインダの質量と、研磨粒子及び金属材料の質量との比を15/85以上2/1以下とした。これにより、被覆材層の形成が容易となり、しかも溶融工程における液だれを抑制できる。
また、この発明に係る皮膜形成用被覆材では、上記皮膜形成用被覆材に含まれる金属材料をMCrAlYとした。このように耐酸化性と耐粒界腐食性をもつMCrAlYを使用するので、高温の酸化性雰囲気中で使用されるガスタービンの動翼等に皮膜を形成した場合でも、長期にわたって研磨粒子を保持して研磨性能を維持できる。これによって、安定したガスタービンの運転ができる。
また、この発明に係る皮膜形成用被覆材では、上記皮膜形成用被覆材において、MCrAlY粒子と研磨粒子との体積比が1/2以上2/1以下とした。このため、ろう切れの発生を防止して、施工性を向上させることができる。また、研磨粒子を十分に固着できるため、研磨粒子の脱落を抑制して信頼性の高いガスタービンの運転ができる。
また、この発明に係る研磨性皮膜形成用シートでは、ろう材と、上記いずれか一つの皮膜形成用被覆材とを積層して構成した。このため、この研磨性皮膜形成用シートを皮膜形成対象物に貼り付けてから、皮膜形成対象物を熱処理するだけで研磨性皮膜を形成できるため、メッキ法や溶射法と比較して極めて容易に研磨性皮膜を形成できる。また、この研磨性皮膜形成用シートを皮膜形成対象物に貼るだけで熱処理前の処理が完了するので、作業が極めて容易になる。さらに、シートであるため、皮膜形成対象物の形状に合わせて適宜切断すればよいため、さまざまな形状を持つ皮膜形成対象物に対しても容易に対応できる。
また、この発明に係る研磨性皮膜形成用シートでは、上記研磨性皮膜形成用シートにおいて、ろう材と皮膜形成用被覆材との膜厚比を30/70以上70/30以下とした。このため、溶融工程において皮膜形成用被覆材が確実に溶融するだけでなく、形成された皮膜も堅固となる。
また、この発明に係る研磨性皮膜形成用シートでは、上記研磨性皮膜形成用シートにおいて、ろう材にボロンを含むようにした。このように、ろう材にボロンが含まれているため、溶融工程においてはこのボロンが皮膜形成用被覆材中に拡散して、皮膜形成用被覆材の凝固点を降下させる。これによって、比較的低温で加熱された場合でも、皮膜形成用被覆材が溶融する。また、ボロン拡散後は、皮膜形成用被覆材の融点が上昇するためろう材の耐熱性が上昇する。これによって、ガスタービンの動翼やシュラウドのように、高温ガス中において使用する場合でもろう材が溶融することなく使用できる。
また、この発明に係る研磨性皮膜形成用シートでは、上記研磨性皮膜形成用シートにおいて、ろう材は、その融点が皮膜形成対象物の熱処理温度よりも低い材料から選択するようにした。これにより、皮膜形成対象物の熱処理と同時に溶融工程を進行させることができる。
また、この発明に係る研磨性皮膜形成用シートでは、上記研磨性皮膜形成用シートにおいて、さらに、ろう材には接着層を形成した。このため、この研磨性皮膜形成用シートさえ準備しておけば、皮膜形成対象物にこの研磨性皮膜形成用シートを貼るだけで熱処理前の処理が完了し、糊付けが不要になり、また糊の乾燥を待つ必要もない。これによって、さらに皮膜形成の手間を軽減できる。
また、この発明に係るガスタービンの動翼では、上記いずれか一つの皮膜形成方法によって先端部に研磨性皮膜を形成した。このため、メッキ法や溶射法と比較して極めて容易に研磨性皮膜を形成できるので、前記皮膜形成法と比較して皮膜形成に要する時間を大幅に短縮でき、また製造コストも低減できる。
また、この発明に係るガスタービンの動翼では、上記いずれか一つの研磨性皮膜形成用シートを先端部に貼り付けるようにした。このため、後は動翼に必要な熱処理を施すだけで研磨性皮膜を形成できるので、メッキ法や溶射法と比較して極めて容易に研磨性皮膜を形成できる。これによって、前記皮膜形成法と比較して皮膜形成に要する時間を大幅に短縮でき、また製造コストも低減できる。
また、この発明に係るガスタービンでは、燃焼器からの燃焼ガスが噴射されることで駆動されるタービンに、上記動翼を備えた。このため、熱処理設備さえ備えておけば、容易に動翼に研磨性皮膜を形成できるため、ガスタービンの運転現場付近にメッキ設備等がない場合でも、熱処理に使用する加熱炉を備えておけば容易に研磨性皮膜を形成できる。これによって、その場で動翼等に再び研磨性皮膜を形成することができるので、容易に動翼の補修ができる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明の皮膜形成方法、皮膜形成用材料、研磨性皮膜形成用シート、及びこの皮膜形成方法によって研磨性皮膜等が形成されたガスタービンの動翼並びにこの動翼を使用したガスタービンは、燃焼エンジン(ガスタービン、ジェットエンジン等)、蒸気タービンにおける動翼、静翼又はシュラウド等の部材が備えている研磨性皮膜、耐酸化性皮膜等を形成する場合に有用であり、これらの皮膜を簡便に形成することに適している。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施形態にかかる皮膜形成方法を示すフローチャートであり、第2図は、第1図の皮膜形成方法における諸ステップについて説明するための模式図であり、第3図は、第1図の形成方法によって研磨性皮膜が形成された動翼を示す斜視図であり、第4図は、第3図に示した動翼の一部の拡大断面図であり、第5図は、この発明に係る皮膜形成方法によって先端部に研磨性皮膜が形成されたガスタービン動翼を備えたガスタービンを示す説明図である。Technical field
The present invention relates to a film forming method for forming a polishing film, an oxidation-resistant film, and the like provided on a member such as a moving blade, a stationary blade, or a shroud in a combustion engine (gas turbine, jet engine, and the like), a steam turbine, and the like. The present invention relates to a material for forming, a sheet for forming an abrasive film, a blade of a gas turbine on which an abrasive film and the like are formed by the method of forming a film, and a gas turbine using the blade.
Background art
In a gas turbine, a clearance of a predetermined size is provided between a moving blade tip and a shroud opposed to the moving blade tip so that they do not contact during operation. If the clearance is too large, the combustion gas leaks from the pressure surface side of the rotor blade to the negative pressure surface side, and the amount of combustion gas that can be used for driving the turbine decreases, resulting in a decrease in the operating efficiency of the gas turbine. Therefore, the clearance is set as small as possible for the purpose of improving the performance of the gas turbine by suppressing the leakage of the combustion gas as much as possible.
However, if the clearance is too small, the tip of the moving blade slides with the shroud due to thermal expansion of the moving blade, eccentricity of the turbine rotor, vibration generated in the entire gas turbine, and the like in the initial stage of gas turbine operation. It may move (so-called initial sliding). Further, when the gas turbine is operated for a long period of time, the shroud exposed to the high-temperature gas gradually undergoes thermal deformation, and the tip of the moving blade and the shroud may also slide (so-called secondary sliding). Ver.)
Generally, the shroud has a coating formed on the inner peripheral surface thereof for the purpose of heat shielding or oxidation prevention. For example, a TBC (Thermal Barrier Coating) may be provided for the purpose of heat insulation, and sometimes an oxidation-resistant coating made of MCrAlY may be provided. Here, M is one or more of iron, nickel, and cobalt. These coatings often have high hardness, so that when the blade tip slides on the inner peripheral surface of the shroud, the blade may be greatly damaged.
Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 4-218598 and 9-504340 and U.S. Pat. No. 5,702,574 have an abrasive film in which abrasive particles are dispersed in a matrix made of MCrAlY which is an antioxidant material. A bucket is disclosed. In this rotor blade, for example, cubic boron nitride (CBN) or the like is used as abrasive particles. Cubic boron nitride is a material having high hardness, and therefore, when the blade and the inner peripheral surface of the shroud slide, the abrasive particles made of cubic boron nitride polish the inner peripheral surface of the shroud. Thereby, an appropriate clearance is maintained between the bucket and the shroud.
The abrasive film is obtained by first temporarily attaching abrasive particles to the blade body, and then forming a matrix around the abrasive particles by electrodeposition plating. That is, the matrix is formed by growing the plating layer. Since the growth of the plating layer takes a long time, this forming method is inefficient. Moreover, formation of a matrix by the electrodeposition plating method is generally expensive. Furthermore, electrodeposition plating requires a large-scale facility, and it is difficult to newly install an electrodeposition plating facility from the viewpoint of environmental protection.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-30403 discloses a method for forming a polishing film in which a matrix is formed by a thermal spraying method. The thermal spraying method is a method of growing a metal layer by spraying a molten metal, and has a feature that the efficiency is higher than that of an electrodeposition plating method. However, in the thermal spraying method, when the abrasive particles are temporarily fixed to the rotor blade body, the electrodeposition plating method is used, so that the above-described problem is caused, and it is difficult to accurately control the thickness of the matrix. Yes, and large-scale thermal spraying equipment is required. When abrasive particles such as cubic boron nitride are dispersed in a metal matrix by a thermal spraying method, the abrasive particles are buried in the molten metal. Particles hardly grind the inner peripheral surface of the shroud. Then, the metal matrix is welded to the inner peripheral surface of the shroud, which may cause damage to the moving blade.
As described above, an oxidation-resistant film made of TBC or MCrAlY may be provided on the inner peripheral surface of the shroud as described above. ), LPPS (Low Pressure Plasma Spray), and D-GUN (Detonation Gun).
The present invention provides a film forming method capable of easily forming an abrasive film, a material for forming a film, a sheet for forming an abrasive film, a blade of a gas turbine in which an abrasive film and the like are formed by the film forming method, and It is an object to provide a gas turbine using a moving blade.
Disclosure of the invention
In order to achieve this object, a method for forming a film according to the present invention includes the following steps (1) to (3).
(1) A laminating step of laminating a brazing material layer mainly composed of a brazing material and a covering material layer mainly composed of a covering material on the front surface or the back surface of a film forming object.
(2) A melting step in which the brazing material layer and the coating material layer are heated to diffuse the coating material and the brazing material while melting and penetrating the brazing material component into the coating material.
(3) A fixing step in which the molten brazing material is solidified and fixed to a film formation target.
In the film forming method according to the present invention, the film is formed by so-called brazing. This method is lower in cost than the plating method and the thermal spraying method, and does not require a large-scale facility, so that there are few restrictions on a construction place.
In this case, as in the film forming method according to the present invention, the thickness ratio between the brazing material and the coating material laminated in the laminating step is preferably 30/70 or more and 70/30 or less. By selecting the volume ratio in this manner, the wax is reliably melted in the coating material in the melting step.
It is preferable that the brazing material contains boron as in the film forming method according to the next invention. This boron diffuses into the coating material in the melting process and lowers the freezing point of the coating material, so even when heated at a relatively low temperature, the coating material melts and once melted, the boron decreases Since the melting point rises, problems such as remelting hardly occur in actual operation.
Preferably, the brazing material is selected from materials whose melting point is lower than the heat treatment temperature of the object to be film-formed, as in the film-forming method according to the following invention. Thus, the melting step can be performed simultaneously with the heat treatment of the film formation target.
The coating material layer used is preferably one in which coating material particles are dispersed in a binder, as in the film forming method according to the following invention. The binder facilitates lamination of the coating material. In addition, since the binder volatilizes almost completely in the melting step, deterioration of the quality of the film due to the binder remaining in the film is suppressed. If a volatile binder is used, the binder is more likely to be volatilized in the melting step, so that the amount of the binder remaining in the film can be reduced and the quality of the film can be further improved. The binder is preferably one that evaporates at a low temperature, and one that also has a certain degree of strength (rigidity) of the coating material after the binder is dried.
As in the film forming method according to the next invention, the mass ratio between the binder and the coating material particles is preferably 15/85 or more and 2/1 or less. Thereby, the formation of the coating material layer is facilitated and dripping of the brazing material in the melting step can be suppressed.
As an example of a preferable coating material layer, a material containing MCrAlY particles and cubic boron nitride particles as main components as in a film forming method according to the following invention can be mentioned. With this coating material layer, an abrasive film is obtained. In this abrasive film, cubic boron nitride functions as abrasive particles, and MCrAlY serves as a matrix to fix the abrasive particles. Further, the MCrAlY matrix suppresses oxidation of the abrasive particles or the blade material.
Further, as in the method for forming a film according to the next invention, from the viewpoint of simultaneously improving the polishing ability and firmly fixing the abrasive particles, the volume ratio between the MCrAlY particles and the cubic boron nitride particles is 以上 or more. It is preferably at most 2/1.
Further, if the abrasive film is formed on the tip of the moving blade of the gas turbine as in the film forming method according to the next invention, the inner peripheral surface of the opposed shroud is polished. Is prevented.
Further, this film forming method may include an exposing step of removing a part of the MCrAlY from the surface of the fixed coating material layer to expose the cubic boron nitride particles as in the film forming method according to the next invention. preferable.
A preferred exposure method is a blast treatment as in the film forming method according to the following invention. In the blasting process, it is preferable to use a blasting material that is harder than the MCrAlY particles and softer than the abrasive particles, as in the film forming method according to the next invention. Thereby, MCrAlY can be efficiently removed from the formed abrasive film, so that the abrasive particles can be sufficiently exposed.
Further, in the blast treatment, it is preferable that the particle size of the blast material is smaller than the particle size of the abrasive particles and smaller than the interval between the abrasive particles as in the film forming method according to the next invention. However, if the particle size is too small, the holding portion of the abrasive particles will be attacked and may fall off. Thus, the dropout of the abrasive particles can be suppressed to a minimum while sufficiently arranging the abrasive particles, so that sufficient polishing performance can be exhibited from the beginning.
Further, as another example of a preferable coating material layer, a material having MCrAlY particles as a main component as in a film forming method according to the following invention can be mentioned. The coating having oxidation resistance and intergranular corrosion resistance obtained by this coating material layer can be formed by various members of a gas turbine through which a high-temperature gas flows, specifically, a moving blade, as in a coating forming method according to the next invention. , Stationary blades and shrouds.
The coating material for forming a film according to the next invention is cubic boron nitride, Al 2 O 3 , SiC or other abrasive particles, a metal material having at least oxidation resistance, and a binder. Since the coating material for forming a film contains abrasive particles, a metal material, and a binder, the brazing material is absorbed into a space formed by volatilization of the binder during heat treatment at the time of forming the film. As a result, the flow of brazing to the surroundings can be extremely reduced, so that the quality (uniformity of the film thickness) after the film is formed on the film forming target can be increased. For this reason, the adjustment of the film thickness after the formation of the film can be minimized, and the trouble of forming the film can be reduced.
Further, the film formation target of the present invention includes a blade and a shroud of a gas turbine. However, since such a target is used in an atmosphere in which a high-temperature combustion gas is injected, the target is formed by oxidation thinning. Its life will be shortened. Since the metal material contained in the coating material for forming a film according to the present invention has oxidation resistance, oxidation hardly occurs even in such an atmosphere. Therefore, even when used for a long period of time, the abrasive particles can be more reliably held and stable polishing performance can be exhibited, and the effect of reducing the oxidation thinning of the base material is also obtained. Can be.
In the coating material for forming a film according to the next invention, in the coating material for forming a film, a ratio of the mass of the binder to the mass of the abrasive particles and the metal material is 15/85 or more and 2/1 or less. It is characterized by. This facilitates the formation of the coating material layer, and also suppresses the flow of the brazing material in the melting step.
A coating material for forming a film according to the next invention is characterized in that in the coating material for forming a film, the metal material is MCrAlY. As described above, since the oxidation-resistant MCrAlY is used as the metal material for forming the coating, even if the coating is formed on a moving blade of a gas turbine used in a high-temperature oxidizing atmosphere, polishing is performed for a long time. Since the polishing performance can be maintained by retaining the particles, and the base material is protected from oxidation, a stable gas turbine operation can be performed.
The coating material for forming a film according to the next invention is characterized in that in the coating material for forming a film, the volume ratio between the MCrAlY particles and the abrasive particles is 以上 or more and 2/1 or less. Cubic boron nitride and Al used as abrasive particles 2 O 3 Alternatively, if the ratio of SiC or the like is large, the content of MCrAlY is reduced, and not only oxidation resistance is lowered, but also wax tends to be broken during construction. In addition, the retention of the abrasive particles during brazing becomes insufficient, and the particles float. On the other hand, if the ratio of MCrAlY is too large, the polishing ability of the polishing film may be insufficient. From these viewpoints, if the mass ratio is within the above range, it is possible to prevent the occurrence of brazing and improve workability. In addition, since the metal layer that sufficiently retains the abrasive particles has high oxidation resistance, the particles can be stably retained for a long time, the abrasive particles are prevented from falling off, and a highly reliable gas turbine can be operated.
A polishing film forming sheet according to the next invention is characterized in that a brazing material and any one of the above film forming coating materials are laminated. In the sheet for forming an abrasive film, the binder is contained in the coating material for forming the film, so that in the heat treatment at the time of forming the film, the brazing material is sucked into the space where the binder has volatilized. As a result, dripping during the formation of the film can be extremely reduced, so that the quality after forming the film on the object on which the film is formed can be improved. Further, since the correction after the formation of the film is minimal, the trouble of forming the film can be reduced. Furthermore, since the abrasive film can be formed simply by attaching the sheet for forming an abrasive film to the object to be formed and heat-treating the object to be formed, the abrasive film can be formed very easily as compared with the plating method and the thermal spraying method. Can be formed. In addition, if a metal material having oxidation resistance and intergranular corrosion resistance is used as a coating material for forming a film, an abrasive film can be formed on a gas turbine blade or a shroud used in a high-temperature oxidizing atmosphere. Even in this case, stable polishing performance can be maintained by preventing the abrasive particles from falling off. Thus, stable operation of the gas turbine can be achieved.
Further, since the process before the heat treatment is completed only by sticking the sheet for forming an abrasive film on the object on which the film is to be formed, the work becomes extremely easy. Furthermore, since the sheet is a sheet, it can be cut as appropriate in accordance with the shape of the film formation target, so that the film formation target having various shapes can be easily handled.
The sheet for forming an abrasive film according to the next invention is the sheet for forming an abrasive film, wherein the film thickness ratio between the brazing material and the coating material for forming a film is 30/70 or more and 70/30 or less. Features. By selecting the volume ratio in this manner, not only the coating material for forming a film is reliably melted in the melting step, but also the formed film is solid.
The sheet for forming an abrasive film according to the next invention is characterized in that, in the sheet for forming an abrasive film, the brazing material contains boron. As described above, since the brazing filler metal contains boron, in the melting step, the boron diffuses into the coating material for film formation and lowers the freezing point of the coating material for film formation. Even when the coating is performed, the coating material for forming a film melts. Further, after boron is diffused, the melting point of the coating material for forming a film increases, so that the heat resistance of the brazing material increases. This allows the brazing material to be used without re-melting even when used in a high-temperature gas such as a rotor blade or a shroud of a gas turbine.
The sheet for forming an abrasive film according to the next invention is characterized in that in the sheet for forming an abrasive film, the brazing material is selected from a material having a melting point lower than a heat treatment temperature of a film formation target. I do. This allows the melting step to proceed simultaneously with the heat treatment of the film formation target.
The sheet for forming an abrasive film according to the next invention is characterized in that, in the sheet for forming an abrasive film, an adhesive layer is further formed on the brazing material. For this reason, if only this abrasive film forming sheet is prepared, the processing before heat treatment is completed only by sticking this abrasive film forming sheet to the film forming object, and the gluing becomes unnecessary, and the glue is not required. There is no need to wait for drying. Thereby, the trouble of forming the film can be further reduced.
A moving blade of a gas turbine according to the next invention is characterized in that a film is formed on a tip portion by any one of the film forming methods described above. Therefore, an abrasive film can be formed extremely easily as compared with the plating method and the thermal spraying method. As a result, the time required for forming the film can be significantly reduced as compared with the film forming method, and the manufacturing cost can be reduced.
The blade of the gas turbine according to the next invention is characterized in that any one of the above-mentioned sheets for forming an abrasive film is attached to a tip end portion. For this reason, since a polishing film can be formed only by performing a necessary heat treatment on the rotor blade, the polishing film can be formed extremely easily as compared with the plating method and the thermal spraying method. As a result, the time required for forming the film can be significantly reduced as compared with the film forming method, and the manufacturing cost can be reduced.
A gas turbine according to the next invention is a compressor that compresses air to produce combustion air, and a combustor that generates high-temperature combustion gas by reacting combustion air and fuel produced by the compressor. And a turbine driven by injection of combustion gas from the combustor to the moving blade.
For this reason, if only a heat treatment facility is provided, an abrasive film can be easily formed, so that the facility for forming the film can be simpler than the plating method and the thermal spraying method. Therefore, even if there is no plating equipment near the gas turbine plant, if a heating furnace used for heat treatment is provided, an abrasive film can be easily formed, so that an abrasive film can be formed again on the rotor blades and the like on the spot. You can also. Thus, even if the abrasive film is damaged, it can be easily repaired.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited by the embodiment. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.
FIG. 1 is a flowchart illustrating a film forming method according to an embodiment of the present invention. This method of forming a film is applied when a relatively simple device (for example, a high-vacuum heating furnace) is used to form an abrasive film on the tip of a moving blade of a gas turbine. In this film forming method, first, a brazing sheet is prepared (step S1). FIG. 2 (a) is an enlarged sectional view showing a part of the brazing sheet indicated generally by
Preferred brazing materials include those containing about 2.75-3.50% by mass of boron (B) and containing nickel (Ni) as a main component. This brazing material usually contains about 6 to 8% by weight of chromium (Cr), about 4 to 5% by weight of silicon (Si), and about 2.5 to 3.5% by weight of iron (Fe). Is included. The
This
Next, a coating material layer 9 shown in FIG. 2B is formed on the brazing sheet 1 (Step S2). It is also possible to separately form and cut the covering material layer 9 and the
The coating material layer 9 is formed by applying a mixture of the coating material particles and the
The predetermined thickness of the coating material layer 9 after coating may be about 0.10 to 1.00 mm, but after the coating material layer 9 is dried, the thickness of the coating material layer 9 is used as a guide to determine the film thickness of the
Here, in this embodiment,
MCrAlY is an alloy containing iron (Fe), nickel (Ni) or cobalt (Co), chromium (Cr), aluminum (Al), and yttrium (Y) as main components, and has oxidation resistance and resistance to oxidation. It has intergranular corrosion properties. Here, it is preferable to increase the content of Cr and Al in order to improve the intergranular corrosion resistance and the oxidation resistance in consideration of the fact that MCrAlY is diluted by the Ni solder after the film is formed. However, it should be noted that if these amounts, especially Al, are too large, the brazing properties deteriorate. Further, in order to improve oxidation resistance, intergranular corrosion resistance and brazing properties, Ta, Re, Hf, Si, etc. can be added in addition to Cr and Al.
In addition, it is necessary that the surface of the MCrAlY particles be free from impurities for brazing, such as O and N, as much as possible. Preferably, MCrAlY having a particle size in the range of 10 to 100 μm is used at random in order to increase the filling rate. However, if the particle size is too small, the surface area increases, and the amount of impurities such as O and N increases.
On the other hand, as the cubic
Further, cubic boron nitride coated with Co or Ni, or cubic boron nitride coated with TiN or a Ti compound can be used. It is desirable to appropriately select these depending on the type of MCrAlY particles forming the coating material layer 9.
Further, instead of the cubic
Volume V of
Here, the cubic
Although various kinds of binders can be used, it is preferable to use a binder which volatilizes at a particularly low temperature. Since the
Here, as the preferred
Mass m of
The thickness ratio between the brazing material and the coating material is preferably 30/70 or more and 70/30 or less. When the film thickness ratio is less than the lower limit of the above range, the wax does not penetrate into the coating material in the melting step, so that the wax is easily cut. In this respect, the film thickness ratio is particularly preferably equal to or greater than 60/40. After the
Next, the
Since the abrasive
Prior to the application of the abrasive
Here, the blade tip may be provided with a hole for ejecting a cooling medium such as cooling air or cooling steam from the internal cooling passage. Therefore, if this hole is closed when the abrasive
Next, the abrasive
Since the melting point of this brazing material is about 1000 ° C., the brazing material is melted by heating at 1000 ° C. or more. The brazing material that has become liquid by this heating penetrates into the space in the coating material layer 9 by capillary action and is absorbed into this space. Further, boron as a brazing filler metal also diffuses into the
Next, the inside of the vacuum heating furnace is cooled to 500 ° C. or lower by introducing argon gas or nitrogen gas (step S7). As a result, the strength required for the Ni alloy as the base material is obtained, and the solidified
In general, cubic boron nitride has a lower specific gravity than the brazing material. Therefore, if both are mixed in advance, the cubic
Next, a blast process is performed on the solidified layer 21 (step S8). In the blast processing, blast particles are sprayed on the surface of the
In order to remove the portion near the surface of the
H1 <H3 <H2 (I)
When MCrAlY is used for the cubic
When the diameter of the blast particles is too large, the cubic
FIG. 3 is a perspective view showing the
The average particle diameter of the cubic
FIG. 4 is an enlarged sectional view showing a part of the moving
The thickness of the matrix 19 (the portion indicated by the double-headed arrow T in FIG. 4) is preferably 50 μm or more. If the thickness of the
In the present invention, an abrasive
For example, when an abrasive film is formed on the tip of a certain gas turbine blade, the film forming method according to the present invention reduces the construction cost to 1/3 to 1/4 compared to the conventional plating method. Can be suppressed. Also, the time required for construction can be reduced to 1/3 or less. As described above, a great effect of reducing the construction cost and the effect of shortening the construction period are obtained, and therefore, it is extremely useful when forming an abrasive film on a large number of moving blades. Further, since large-scale equipment such as a plating method is not required, the cost required for capital investment can be reduced. Further, since no plating waste liquid is generated unlike the plating method, the environmental load can be extremely reduced.
Furthermore, if heating equipment such as a vacuum heating furnace is prepared, an abrasive film can be formed only by supplying the abrasive
In the above description, the case where cubic boron nitride and MCrAlY are used as the coating material is described as an example, but only MCrAlY may be used as the coating material. In this case, the obtained film becomes an oxidation resistant film. The oxidation resistant coating is suitable for a moving blade, a stationary blade, or a shroud of a gas turbine.
FIG. 5 is an explanatory view showing a gas turbine provided with a gas turbine rotor blade having an abrasive film formed at the tip portion by the film forming method according to the present invention. The air taken in from the
The
Further, since the coating is formed on the tip of the
As can be seen from the above description, the film forming method according to the present invention includes the following steps (1) to (3);
(1) a laminating step of laminating a brazing material layer mainly composed of a brazing material and a coating material layer mainly composed of a coating material on the front surface or the back surface of the film formation target;
(2) a melting step of heating the laminated brazing material layer and the coating material layer to diffuse and diffuse the coating material and the brazing material while melting and penetrating the brazing material component into the coating material;
(3) a fixing step in which the molten brazing material is solidified and fixed to the film formation target;
A film is formed by so-called brazing. This method is lower in cost than the plating method and the thermal spraying method, and does not require a large-scale facility.
Further, in the film forming method according to the present invention, since the thickness ratio of the brazing material and the coating material laminated in the laminating step is set to 30/70 or more and 70/30 or less, the coating material is reliably melted in the melting step. In addition to this, the formed film becomes firm and its characteristics can be improved.
Further, in the film forming method according to the present invention, since the brazing material contains boron, the boron diffuses into the coating material in the melting step and lowers the solidification point of the coating material, so that the material is heated at a relatively low temperature. In this case, the coating material can be reliably melted at low cost.
Further, in the film forming method according to the present invention, since the brazing material whose melting point of the brazing material is lower than the heat treatment temperature of the film forming object is selected, the melting step can be performed simultaneously with the heat treatment of the film forming object. . Thereby, the work efficiency of the film formation can be improved.
Further, in the film forming method according to the present invention, since the coating material layer in which the coating material particles are dispersed in the binder is used, not only the function of the binder facilitates the lamination of the coating material, but also Since the binder volatilizes almost completely in the melting step, it is possible to suppress the deterioration of the film quality due to the binder remaining in the film.
Further, in the film forming method according to the present invention, since the mass ratio between the binder and the coating material particles is set to 15/85 or more and 2/1 or less, the formation of the coating material layer is facilitated, and the liquid of the brazing material in the melting step is further improved. Anyone can be suppressed and workability can be improved.
In the method for forming a film according to the present invention, MCrAlY particles and cubic boron nitride particles are used as main components. In the abrasive film obtained by this coating material layer, cubic boron nitride functions as abrasive particles, and MCrAlY serves as a matrix to fix the abrasive particles. The matrix of MCrAlY can suppress the oxidation of the abrasive particles.
Further, in the film forming method according to the present invention, the volume ratio between the MCrAlY particles and the cubic boron nitride particles is set to not less than 1/2 and not more than 2/1. For this reason, the polishing ability of the abrasive film is improved, and the abrasive particles can be securely fixed.
Further, in the film forming method according to the present invention, since the abrasive film is formed at the tip of the moving blade of the gas turbine, cubic boron nitride of the abrasive film is polished on the inner peripheral surface of the shroud opposed thereto, and the rotating blade is Damage can be prevented.
Further, the method for forming a film according to the present invention includes an exposing step of exposing the cubic boron nitride particles by removing a part of the MCrAlY from the surface of the fixed coating material layer. In the method of forming a film according to the present invention, blasting is used in the exposing step for exposing the cubic boron nitride particles. Thereby, the cubic boron nitride particles can be appropriately spotted.
In the method for forming a film according to the present invention, in the blasting, a blast material that is harder than the MCrAlY particles and softer than the abrasive particles is used. As a result, MCrAlY can be efficiently removed from the formed abrasive film, so that the abrasive particles can be sufficiently obtained.
Further, in the film forming method according to the present invention, in the blast treatment, a blast material having a particle size smaller than the particle size of the abrasive particles and smaller than the space between the abrasive particles is used. Thus, the dropout of the abrasive particles can be suppressed to a minimum while sufficiently arranging the abrasive particles, so that sufficient polishing performance can be exhibited from the beginning.
Further, as another example of a preferable coating material layer, a material containing MCrAlY particles as a main component as in the following film forming method according to the present invention can be mentioned. The oxidation resistant film obtained by this coating material layer is suitable for various members of a gas turbine through which a high-temperature gas flows, specifically, a moving blade, a stationary blade, and a shroud, as in the film forming method according to the present invention described below. Can be used for
Further, in the coating material for forming a film according to the present invention, since the abrasive particles, at least a metal material having oxidation resistance and a binder are included, during the heat treatment at the time of forming the film, the binder is volatilized. The brazing material is absorbed into the space. As a result, dripping of the brazing filler metal can be extremely reduced, so that the quality after forming the film on the film formation target can be improved. Further, since the metal material has oxidation resistance, oxidation is unlikely to occur even in a high-temperature combustion gas atmosphere in which a rotor blade of a gas turbine is used. As a result, even when used for a long period of time, the abrasive particles can be more reliably held and stable polishing performance can be exhibited, and the oxidation thinning of the base material can be reduced, so that a more stable gas turbine operation can be performed. .
Further, in the coating material for forming a film according to the present invention, in the coating material for forming a film, the ratio of the mass of the binder to the mass of the abrasive particles and the metal material is 15/85 or more and 2/1 or less. This facilitates the formation of the coating material layer, and can suppress dripping in the melting step.
In the coating material for forming a film according to the present invention, the metal material included in the coating material for forming a film is MCrAlY. Since MCrAlY, which has oxidation resistance and intergranular corrosion resistance, is used as described above, even if a film is formed on a moving blade of a gas turbine used in a high-temperature oxidizing atmosphere, the abrasive particles are retained for a long time. Polishing performance can be maintained. Thus, stable operation of the gas turbine can be achieved.
Further, in the coating material for forming a film according to the present invention, in the coating material for forming a film, the volume ratio between the MCrAlY particles and the abrasive particles is 以上 or more and 2/1 or less. For this reason, it is possible to prevent the occurrence of brazing and improve workability. Further, since the abrasive particles can be sufficiently fixed, the falling of the abrasive particles can be suppressed, and the gas turbine can be operated with high reliability.
Further, the abrasive film-forming sheet according to the present invention is formed by laminating a brazing material and any one of the above-mentioned film-forming coating materials. For this reason, since the abrasive film can be formed only by attaching the sheet for forming an abrasive film to the object to be formed and then heat-treating the object to be formed, the abrasive film can be formed very easily as compared with the plating method and the thermal spraying method. An abrasive film can be formed. Further, since the process before the heat treatment is completed only by sticking the sheet for forming an abrasive film on the object on which the film is to be formed, the work becomes extremely easy. Furthermore, since the sheet is a sheet, it can be cut as appropriate in accordance with the shape of the film formation target, so that the film formation target having various shapes can be easily handled.
In the sheet for forming an abrasive film according to the present invention, in the sheet for forming an abrasive film, the thickness ratio between the brazing material and the coating material for forming the film is set to 30/70 or more and 70/30 or less. For this reason, not only the coating material for forming a film is reliably melted in the melting step, but also the formed film is firm.
Further, in the abrasive film forming sheet according to the present invention, in the above abrasive film forming sheet, the brazing filler metal contains boron. As described above, since boron is contained in the brazing material, in the melting step, the boron diffuses into the coating material for film formation and lowers the freezing point of the coating material for film formation. Thereby, the coating material for forming a film is melted even when heated at a relatively low temperature. Further, after boron diffusion, the melting point of the coating material for forming a film increases, so that the heat resistance of the brazing material increases. This allows the brazing material to be used without melting even when used in a high-temperature gas such as a rotor blade or a shroud of a gas turbine.
In the polishing film forming sheet according to the present invention, in the polishing film forming sheet, the brazing material is selected from materials whose melting point is lower than the heat treatment temperature of the film forming object. This allows the melting step to proceed simultaneously with the heat treatment of the film formation target.
In the sheet for forming an abrasive film according to the present invention, an adhesive layer is further formed on the brazing material in the sheet for forming an abrasive film. For this reason, if only this abrasive film forming sheet is prepared, the processing before heat treatment is completed only by sticking this abrasive film forming sheet to the film forming object, and the gluing becomes unnecessary, and the glue is not required. There is no need to wait for drying. Thereby, the trouble of forming the film can be further reduced.
Further, in the blade of the gas turbine according to the present invention, the abrasive film is formed on the tip portion by any one of the film forming methods described above. For this reason, the abrasive film can be formed extremely easily as compared with the plating method and the thermal spraying method, so that the time required for forming the film can be greatly reduced as compared with the film forming method, and the manufacturing cost can be reduced.
Further, in the moving blade of the gas turbine according to the present invention, any one of the above-mentioned sheets for forming an abrasive film is attached to a tip portion. For this reason, since a polishing film can be formed only by performing a necessary heat treatment on the moving blade later, the polishing film can be formed extremely easily as compared with the plating method and the thermal spraying method. As a result, the time required for forming the film can be significantly reduced as compared with the film forming method, and the manufacturing cost can be reduced.
Further, in the gas turbine according to the present invention, the turbine driven by the injection of the combustion gas from the combustor is provided with the moving blade. For this reason, as long as the heat treatment equipment is provided, the abrasive film can be easily formed on the rotor blade. Even if there is no plating equipment near the operation site of the gas turbine, if the heating furnace used for the heat treatment is provided. An abrasive film can be easily formed. As a result, the abrasive film can be formed again on the moving blade or the like on the spot, so that the moving blade can be easily repaired.
Industrial applicability
As described above, the film forming method, the film forming material, the abrasive film forming sheet of the present invention, the blade of the gas turbine having the abrasive film formed by the film forming method, and the blade were used. The gas turbine is useful for forming an abrasive film, an oxidation-resistant film, and the like provided on members such as a moving blade, a stationary blade, and a shroud of a combustion engine (gas turbine, jet engine, and the like) and a steam turbine. It is suitable for easily forming these films.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a film forming method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram for explaining various steps in the film forming method of FIG. FIG. 4 is a perspective view showing a moving blade on which an abrasive film is formed by the forming method of FIG. 1, FIG. 4 is an enlarged sectional view of a part of the moving blade shown in FIG. FIG. 1 is an explanatory view showing a gas turbine provided with a gas turbine blade having an abrasive film formed on a tip portion by a film forming method according to the present invention.
Claims (27)
皮膜形成対象物の表面にろう材を主成分とするろう材層と、被覆材を主成分とする被覆材層とを積層する積層工程と、
積層された前記ろう材層及び被覆材層を加熱してろう材成分を被覆材中に拡散させつつ該被覆材の少なくとも一部を溶融させる溶融工程と、
溶融した前記被覆材を凝固させ前記皮膜形成対象物に固着させる固着工程と、
を含むことを特徴とする皮膜形成方法。A method of forming a film,
A lamination step of laminating a brazing material layer containing a brazing material as a main component on a surface of a film formation target, and a covering material layer containing a coating material as a main component,
A melting step of heating the laminated brazing material layer and the coating material layer to melt at least a part of the coating material while diffusing the brazing material component into the coating material;
A fixing step of solidifying the molten coating material and fixing the coating material to the film formation target;
A method for forming a film, comprising:
この圧縮機で作られた燃焼用空気と燃料とを反応させて高温の燃焼ガスを生成する燃焼器と、
請求の範囲第25項に記載の動翼を有し、前記燃焼器からの燃焼ガスがこの動翼に噴射されることで駆動されるタービンと、
を備えたことを特徴とするガスタービン。A compressor that compresses air to produce combustion air,
A combustor that generates high-temperature combustion gas by reacting combustion air and fuel produced by the compressor;
A turbine having the moving blade according to claim 25, and driven by being injected with combustion gas from the combustor to the moving blade,
A gas turbine comprising:
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